黑龙江地区在漫长的地质历史年代里，地质演化经历了大陆地壳形成和业已形成的陆壳块体间相向运动与碰撞及陆壳地块内部硅铝壳的分裂与拼合史。
　　　　黑龙江地区各时代地层发育比较齐全，地层分布广泛而零星。岩浆活动频繁，变质变形复杂。在不同地质时期，大地构造格局明显不同。除中上寒武纪外，自新太古代到第四纪全新世的地层均有出现，以中生代、新生代地层最为发育。共有层位91个，建立地层单位240个；其中赋存有沉积、变质矿产的层位近50个，地层单位100多个；涉及火山活动的地层层位22个，地层单位50个。经岩石地层清理后，新元古代到新近纪建议使用的地层单位群级17个，组级143 个，段级2个。新太古代到早侏罗世期间划分出天山——兴安岭和兴凯湖——布列亚山两个地层大区（包括7个分区，19个小区），早侏罗世后全省处在滨太平洋域一个地层大区（包括10个分区）。最具特色的有小兴安岭西北部奥陶纪——早石炭世海相沉积；早中生代完达山造山带蛇绿岩和复理石沉积；侏罗纪——早白垩世佳木斯隆起以东的海相、海陆交互相陆缘沉积；大兴安岭陆内火山岩；晚白垩世——新近纪含油气杂色碎屑岩断坳陷沉积。
　　　　黑龙江地区岩浆活动划分为新太古代（麻山期）、古元古代（兴东期）、中元古代（晋宁期）、新元古代（张广才岭期）、加里东期、华力西期、印支期、燕山期及喜马拉雅期九个旋回，十二个亚旋回。侵入岩石类型从超基性岩（各种橄榄岩、辉石岩、角闪石岩、蛇纹岩）到基性岩（各种辉长岩）到中性岩（辉石闪长岩、闪长岩、石英闪长岩、闪长玢岩）到花岗岩类（花岗闪长岩、二长花岗岩、碱长花岗岩、碱性花岗岩）一应俱全。
　　　　中、新生代火山岩，特色的有完达山超镁铁质火山岩和新生代富钾玄武岩，划分了火山活动带和火山喷发带。
　　　　变质岩将原麻山群和黑龙江群解体为麻山群麻粒岩相变质地质体、麻山群角闪岩相与黑龙江群角闪岩相变质地质体、黑龙江群绿片岩相构造地质体三部分。
　　　　黑龙江地区境内留存至今的最古老地质遗迹可追溯到25亿年前的新太古代。在今天的鸡西市，早先形成的麻山群富含碳质、铝质、镁质的黏土和碳酸盐沉积，在地球深部热流和内动力作用下发生变质变形，成为坚硬陆壳。经过了20亿年漫漫岁月，元古代地壳不断增长，先后形成了黑龙江地区东部“佳木斯地块”，中部“松嫩地块”和西部“额尔古纳地块”，铸就了黑龙江地区地质历史的物质基础，同时贡献出为今所用的沉积变质铁矿、金矿，世界级的石墨矿、矽线石矿以及大宗的碳酸盐类等矿产资源。
　　　　从距今5.43亿年起，地球进入到古生代，跨入早古生代寒武纪、奥陶纪、志留纪及晚古生代泥盆纪、石炭纪、二叠纪时期。黑龙江大地处于西伯利亚板块南部大陆边缘活动带，遗留在地层中的腕足类、三叶虫、笔石类、珊瑚、苔藓虫、纺锤虫等化石以及陆生古植物化石，以地质资料的形式说明了古生代地层形成过程及多次海陆变迁历史。西伯利亚板块俯冲，古亚洲洋封闭，加里东期和华力西期大规模岩浆活动和造山运动，使这块大地与周边板块拼合。在此期间造就了嫩江县多宝山一带闻名遐迩的斑岩型铜、钼矿，促使了黑龙江省中部逊克县、伊春市、延寿县一带火山沉积铅、锌矿的形成与变质改造再造。
　　　　距今2.5亿年起，开始了包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪三个时期的中生代。黑龙江地区处处留下了难以磨灭的地质奇观。放射虫、牙形刺、双壳类、腹足类、菊石等化石及古植物化石，成为三叠纪的时代标记。此时，东部板块拼接的巨大挤压力， 在佳木斯与松嫩两个地块间形成印支晚期陆内造山，花岗岩随着地层褶皱回返耸立成峰，经过以后年代的地球内外应力反复雕琢，从小兴安岭南部到张广才岭，近南北向展现出一片片壮美旖旎的花岗岩石林地貌风光。又过了不到一亿年，处在欧亚板块东部的黑龙江地区全境卷入滨太平洋大陆边缘活动带。库拉板块和太平洋板块相继活动，即燕山运动，在黑龙江地区境内大兴安岭、嫩江等地形成一系列大规模北东向、北北东向为主的深大断裂带，沿断裂带和地块边缘，岩浆侵入或喷发，生成沸石、珍珠岩等众多的非金属矿产。经过多来源、多期次、多方式的成矿作用，演变出以逊克翠宏山为代表的铁、铜、铅、锌、银、钨、钼等元素繁多的独具特色的一系列金属矿床，以及以嘉荫团结沟为代表的一批大、中型金矿床。与此同时，由于地幔上隆，地壳扩张伸展，在黑龙江省东部、西部形成一系列断陷盆地，为黑龙江省鸡西、双鸭山、鹤岗、七台河四大煤城奠定了煤炭资源基础。松嫩盆地则在以前零散分布的断陷基础上，逐渐发展成大型坳陷，沉积物最厚达6 700米，叶肢介、介形虫、昆虫、淡水双壳类、沟鞭藻类、被子植物等古生物化石是这段时光留下的痕迹，松嫩盆地中形成了世界上最大的陆相含油盆地。黑龙江荣膺能源大省的桂冠，“白垩纪”立下了不朽功勋。白垩纪末期，黑龙江中部气候温暖湿润，植物茂盛，食物充足，嘉荫等盆地成了恐龙世界。黑龙江岸边，松花江流域，多次发现鸭嘴龙、霸王龙、甲龙、虚骨龙等化石，展现出中生
　　　　代晚期生物圈的奇特风貌。特别是嘉荫一带，成为研究中国北方晚白垩世古地理以及世界上解决中生界、新生界分界线的最具代表性、系统性、完整性的地质遗迹之一。
　　　　从距今6 500万年进入新生代到260万年前的新近纪，伴随中国东部大陆边缘的拉伸开裂， 三江、依（兰）舒（兰）、敦（化）密（山）及虎林等地波澜再起，盆地频繁交替升降，煤炭、油页岩沉积；火山纵横恣意喷发，铸石用、岩棉用、拉丝用玄武岩及其中红、蓝宝石和石榴石矿物巨晶，灿然结成。第四纪从更新世到全新世，由于区域性大断裂的继承性活动，一条平行黑龙江走向的北北西向火山喷发带不停地上演着地动山摇的剧目，从松岭区小古里河经嫩江科洛、五大连池、克东二克山、绥棱阁山、尚志高丽山再到牡丹江市镜泊湖，形成了一道独具特色的最为集中而瑰丽的高钾火山岩地貌风景线。